IMPLEMENTACIJA UPRAVLJAČKOG MODULA ZAIZBJEGAVANJE PREPREKA SVESMJERNIM MOBILNIMROBOTOM

Lesičar, Alen

Undergraduate thesis / Završni rad

2020

Degree Grantor / Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Karlovac University of Applied Sciences / Veleučilište u Karlovcu

Permanent link / Trajna poveznica: https://urn.nsk.hr/urn:nbn:hr:128:537415

Rights / Prava: In copyright

Download date / Datum preuzimanja: 2021-11-07

Repository / Repozitorij:

Repository of Karlovac University of Applied Sciences - Institutional Repository

VELEUČILIŠTE U KARLOVCU

STROJARSKI ODJEL

Stručni studij Mehatronike

ALEN LESIČAR

Implementacija upravljačkog modula za

izbjegavanje prepreka svesmjernim mobilnim

robotom

Implementation of an obstacle avoidance control

module for the omnidirectional mobile robot

Završni rad

Karlovac, 2020. godine.

VELEUČILIŠTE U KARLOVCU

STROJARSKI ODJEL

Stručni studij Mehatronike

ALEN LESIČAR

Implementacija upravljačkog modula za

izbjegavanje prepreka svesmjernim mobilnim

robotom

Implementation of an obstacle avoidance control

module for the omnidirectional mobile robot

Završni rad

mentor: Denis Kotarski, mag.ing.mech

Karlovac, 2020. godine.

Ime i prezime ALEN LESIČAR

OIB / JMBG 79822903372

Adresa Završje Loborsko 53

Tel. / Mob./e-mail --- 099 4459813 al3n854@gmail.com

Matični broj studenta 0112616071

JMBAG 0248058921

Studij (staviti znak X ispred

odgovarajućeg studija) X preddiplomski specijalistički diplomski

Naziv studija MEHATRONIKA

Godina upisa 2016.

Datum podnošenja

molbe

Vlastoručni potpis

studenta/studentice

VELEUČILIŠTE U KARLOVCU Klasa:

602-11/18-01/

Ur.broj: 2133-61-04-18-01

Trg J.J.Strossmayera 9 HR - 47000, Karlovac, Croatia

Tel. +385 - (0)47 – 843-500 Fax. +385 - (0)47 – 843-503 e-mail: dekanat @ vuka.hr

ZADATAK ZAVRŠNOG /

DIPLOMSKOG RADA

Datum:

Naslov teme na hrvatskom: Implementacija upravljačkog modula za izbjegavanje

prepreka svesmjernim mobilnim robotom

Naslov teme na engleskom: Implementation of an obstacle avoidance control module for

the omnidirectional mobile robot

Opis zadatka:

U završnom radu razmatra se svesmjerni robot s mogučnošću izbjegavanja prepreka

pomoću senzora udaljenosti. U okviru rada potrebno je:

opisati svesmjerne mobilne robote,

definirati matematički model svesmjernog mobilnog robota,

odabrati i opisati komponente robota te dati načine spajanja u funkcionalnu cjelinu,

realizirati i testirati upravljački program za otkrivanje i izbjegavanje prepreka.

Mentor:Denis Kotarski, mag.ing.mech.

Predsjednik Ispitnog povjerenstva:

PREDGOVOR

Izjavljujem da sam ovaj rad izradio samostalno koristeći znanja stečena u dosadašnjem

dijelu studija te uz navedenu literaturu.

Zahvaljujem se svojoj obitelji koja mi je omogućila ovo školovanje te mi je bila potpora

kroz studij, te prijateljima koji su mi uljepšali studiranje.

Posebno se zahvaljujem profesoru i mentoru Denisu Kotarskom, na savjetima i

uputstvima koje mi je davao kroz ovaj rad, te na strpljenju.

Alen Lesičar

I

Sadržaj:

Sažetak ........................................................................................................................... II

Summary ......................................................................................................................... II

Popis slika ...................................................................................................................... III

Popis tablica .................................................................................................................... 1

1. Uvod ........................................................................................................................ 2

2. Kopneni mobilni roboti ............................................................................................. 3

2.1. Tipovi i namjene ................................................................................................... 3

2.2. Autonomni mobilni roboti ...................................................................................... 3

2.3. Svesmjerni kopneni mobilni roboti ........................................................................ 5

3. Izvedba svesmjernog kopnenog mobilnog robota ................................................... 7

3.1. Matematički opis ................................................................................................... 7

3.2. Komponente robota ............................................................................................ 10

3.3. Programsko okruženje ........................................................................................ 20

4. Upravljački modul za izbjegavanje prepreka ......................................................... 22

4.1. Testiranje pogonskog sustava ............................................................................ 22

4.2. Testiranje senzorskog sustava ........................................................................... 23

4.3. Modul za izbjegavanje prepreka ......................................................................... 27

5. Zaključak ............................................................................................................... 32

Prilozi ............................................................................................................................ 35

II

Sažetak

U ovome završnome radu opisani su svesmjerni mobilni roboti. Takvi roboti su vrlo korisni

za obavljanje raznih zadataka te imaju širok spektar mogućnosti. Građa samog kotača

omogućava gibanje u svim smjerovima, te rotaciju tijekom određenog gibanja. Za

programiranje robota potreban nam je Arduino IDE preko kojeg unosimo kod. Gibanje

nebi bilo moguće bez hardverskih komponenti kao što su: servo motori, Arduino Nano

pločica, HC-SR04 ultrazvučni senzor. Glavni zadatak robota je izbjegavanje prepreka

pomoću ultrazvučnog senzora. Prije svega moramo biti upoznati s kinematikom samog

robota. Sve ove značajke predstavljene su u daljnjem tekstu.

Summary

This final paper describes omnidirectional mobile robots. Such robots are very useful for

performing a variety of tasks and have a wide range of options. The structure of the wheel

itself allows motion in all directions and rotation during a certain motion. To program the

robot, we need an Arduino IDE through which we enter the code. The motion would not

be possible without hardware components such as servo motors, Arduino Nano, HC-

SR04 ultrasonic sensor. The main task of the robot is to avoid obstacles with the help of

an ultrasonic sensor. First of all, we need to be familiar with the kinematics of the robot

itself. All of these features are presented in the text below.

III

Popis slika

Slika 1: Robotika u budućnosti. ....................................................................................... 2

Slika 2: Autonomni mobilni robot Gideon Brothersa. ....................................................... 4

Slika 3: Izvedba svesmjernog robota s tri kotača. ........................................................... 6

Slika 4: Izvedba svesmjernog robota sa četiri kotača. ..................................................... 6

Slika 5: Prikaz robota u kartezijevom koordinatnom sustavu [3]. .................................... 7

Slika 6: Geometrijski raspored kotača [3]. ....................................................................... 8

Slika 7: Dimenzije kotača. ............................................................................................... 8

Slika 8: Shematski prikaz gibanja svesmjernog robota s tri omni kotača [4]. .................. 9

Slika 9: Shematski prikaz gibanja svesmjernog robota sa četiri mecanum kotača [5]. .. 10

Slika 10: Usporedba robota s diferencijalnim pogonom i svesmjernog robota [4]. ........ 11

Slika 11: Omni (švedski) kotač [3]. ................................................................................ 12

Slika 12: Svesmjerni kotač druge izvedbe (okomiti). ..................................................... 12

Slika 13: Mecanum kotač [4]. ........................................................................................ 13

Slika 14: Gibanje svesmjernog robota u stranu pomoću ne - ortogonalnih univerzalnih

kotača. ........................................................................................................................... 14

Slika 15: Kontrola servo motora pomoću PWM signala [5]. ........................................... 15

Slika 16: Arduino Uno upravljačka jedinica. .................................................................. 16

Slika 17: Popis pinova Arduino Uno upravljačke jedinice [7]. ........................................ 17

Slika 18: ATmega 328 mikrokontroler. .......................................................................... 17

Slika 19: Princip rada ultrazvučnog senzora. ................................................................ 18

Slika 20: Primjer programiranja Arduina [11]. ................................................................ 20

Slika 21: Definiranje servo motora te njihovog spajanja ................................................ 22

Slika 22: Definiranje funkcija za glavne smjerove gibanja. ............................................ 23

Slika 23: Definiranje funkcija za pomoćne smjerove gibanja. ........................................ 23

Slika 24: Definiranje Echo i Trig pinova, mjesta spajanja, pinModa. ............................. 24

Slika 25: Prva verzija programa za očitanje udaljenosti. ............................................... 25

Slika 26: Druga verzija programa za očitanje udaljenosti. ............................................. 26

Slika 27: Očitavanje udaljenosti. ................................................................................... 26

IV

Slika 28: Program za izbjegavanje prepreka - prva verzija (prvi dio). ............................ 27

Slika 29: Program za izbjegavanje prepreka - prva verzija (drugi dio)........................... 28

Slika 30: Program za izbjegavanje prepreka - druga verzija (prvi dio)........................... 29

Slika 31: Program za izbjegavanje prepreka - druga verzija (drugi dio). ....................... 30

Slika 32: Primjeri izbjegavanja prepreka svesmjernog robota ....................................... 31

1

Popis tablica

Tablica 1: Specifikacije servo motora FS5103R [6] ....................................................... 15

2

1. UVOD

Robotika je višedisciplinarna grana tehnike koja objedinjuje mehaniku, fiziku, matematiku,

automatsko upravljanje, elektroniku, umjetnu inteligenciju i drugo. Razvoj robota pokrenut

je zbog želje čovjeka da pronađe zamjenu za sebe koja bi imala mogućnost oponašanja

njegovih svojstava u različitim primjenama, uzimajući u obzir i međudjelovanje sa

okolinom koja ga okružuje.

Roboti su automatizirani strojevi višestruke namjene koji se sastoje od konstrukcije s

pripadajućim pogonskim uređajima, senzora i upravljačkog uređaja. Dijele se po stupnju

pokretljivosti (statički i mobilni roboti), strukturi konstrukcije (mehatronički, biotronički i

bioroboti), namjeni (industrijski, medicinski, edukacijski, podvodni, roboti za istraživanje

svemira, vojni roboti, osobni roboti), veličini (makroroboti, mikroroboti i nanoroboti).

Inteligentni roboti posjeduju sposobnost učenja, rasuđivanja i donošenja zaključaka te

imaju visok stupanj funkcionalne, organizacijske i mobilne autonomnosti. Roboti te

skupine razvijaju se ubrzano, usporedno s razvojem naprednih informacijskih tehnologija

i umjetne inteligencije. Očekuje se kako će se inteligencija robota općenito, a posebice

biorobota ostvarenih genetičkim inženjerstvom, još više približiti inteligenciji čovjeka.

Danas se najviše primjenjuju industrijski roboti, npr. u automobilskoj industriji za

sastavljanje dijelova vozila, bojenje ili zavarivanje karoserije i dr. Roboti se osobito rabe

u okruženju opasnom za čovjeka (podvodni roboti, svemirske robotske letjelice, roboti za

razminiranje i dr.), kao sredstva unutarnjeg transporta, ali i za zabavu, natjecanja te kao

dječje igračke. [1]

Slika 1: Robotika u budućnosti.

3

2. KOPNENI MOBILNI ROBOTI

Mobilni roboti moraju posjedovati svojstva mobilnosti, autonomnosti i “inteligencije”.

Mobilnost podrazumijeva gibanje robota kroz okolinu. Autonomnost je također

ograničena ljudskom interakcijom. Mobilni roboti se dijele na više načina. Najpopularnije

podjele su prema vrsti medija po kojem se gibaju (kopno, voda, zrak) i po načinu na koji

ostvaruju svoje gibanje (kotači, noge, zmijoliki, itd).

2.1. Tipovi i namjene

Kopneni mobilni roboti se u današnje vrijeme sve više koriste u tvornicama, skladištima i

kućanstvima. Ovakvi tipovi robota olakšavaju ljudima poslove. Što se tiče tvornica za

dobar primjer imamo tvornicu automobila marke Audi. U takvom okruženju roboti rade

poslove gdje su u blizini visokih temperatura i tlakova bez ikakvih problema, dok bi ljudima

to bio puno veći problem.

Ljudi su oduvijek imali potrebu za skladištenjem stvari. U današnje vrijeme to je lako

izvesti pomoću robota. Postoje i pametna skladišta koja funkcioniranju na principu

automatiziranog skladištenja stvari. Skladišta su većinom u obliku matrice koja se sastoji

od željenog broja redaka i stupaca u kojima se spremaju stvari. Kod ovakvih skladišta

čovjeku bi bilo prenaporno pamtiti te konstantno premještati kutije sa stvarima, što nam

olakšava robot. Svoju primjenu roboti nalaze i u kućanstvu, kod poslova kao što su:

čišćenje, usisavanje, itd. Ovo su neke od marki spomenutih robota: Fanuc, ABB, Gideon

Brothers, Tonor robot usisavač.

2.2. Autonomni mobilni roboti

Autonomni roboti su skupina robota koji donose odluke o svojoj brzini i smjeru kretanja

ovisno o njihovom cilju. Ovakvi roboti se koriste u prostorima koji prethodno nisu poznati

ili se mijenjaju tijekom rada. Zbog ovakve okoline rada robota potrebna je mogućnost

prilagođavanja, tj. navigacije robota. Sposobnost prepoznavanja prepreke te zaobilaženje

navedenog je ključna operacija autonomnog mobilnog robota. Kako bi robot bio u

mogućnosti prepoznavanja, te izbjegavanja prepreka potrebni su mu razni senzori, npr.

ultrazvučni senzor. Uz senzore koriste se i razni algoritmi. Pored senzora i algoritama od

4

velike važnosti je i struktura robota. Način na koji je robot građen od velike je važnosti što

se tiče mobilnosti i mogućnosti promjene smjera. Roboti koji imaju mogućnost kretanja u

svim smjerovima imaju veliku prednost nad robotima koji tu mogućnost nemaju. Gibanje

u uskim prostorima s velikim brojem prepreka zahtijeva precizno pozicioniranje robota što

je najlakše izvesti pomoću robota koji se može gibati u svim smjerovima, tj. svesmjernog

robota.

Slika 2: Autonomni mobilni robot Gideon Brothersa.

2.2.1.Komercijalni autonomni roboti

Na slici 2 prikazan je autonomni robot tvrtke Gideon Brtothers. Tvrtka Gideon Brothers

osnovana je 2017. godine i od samog početka fokusirana je na razvoj proizvoda baziranih

na sustavima za robotsku autonomiju temeljenu na vizualnoj percepciji koja kombinira

stereoskopske kamere i duboko učenje. Zbog tih značajki su ljudi, oprema i ostali strojevi

u pokretu sigurni od gibanja robota kako nebi došlo do sudara ili nečega sličnog. Roboti

imaju nosivost oko 800kg. Autonomni mobilni roboti Gideon Brothersa trenutno u

5

Hrvatskoj u skladištima koriste tvrtke kao što su: Atlantic grupa, Tokić, Hrvatska pošta, te

od nedavno vodeća njemačka logistička tvrtka DB Schenker.

Robota odlikuje potpuna autonomija te mu nije potreban nikakav vanjski sustav

navođenja kao npr. markeri ili magnetske vrpce. Sam percipira svoju okolinu i izrađuje

mapu prostora, te se na istoimenoj mapi lokalizira. Mapu prostora robot mijenja prema

registriranim promjenama u okolini.

Robot zahtjeva vrlo malo fizičkih elemenata. Potreban mu je okvir za palete gdje robot

pokupi ili dostavi teret te stanica za punjenje baterija. Jedinstvena značajka je mogućnost

zamjene baterije robota tijekom njegovog rada bez gašenja što smanjuje vrijeme punjenja

na minimum.

Gideonova autonomija “Advanced Visual Perception” nudi puno širi spektar scenarija kod

korištenja od konkurencije zbog toga jer je tehnologija kod lokalizacije i prepoznavanja

objekata neusporedivo bolja nego standardna rješenja koja se baziraju samo na LiDAR

senzorima (laserski "radari"). Primjerice, LiDAR senzor ne vidi predmete koji su nisko na

tlu kao što su recimo vilice praznog viličara koje moraju biti spuštene zbog sigurnosnih

propisa.

Ovi roboti koriste dvije stereoskopske kamere gdje svaka od njih snima sliku iz svoje

perspektive. Kombinacijom te dvije slike dobivamo 3D sliku preko koje robot svoje

okruženje vidi kao i čovjek svojim okom. Kratko rečeno robot može vidjeti dubinu i širinu

prostora. [2]

2.3. Svesmjerni kopneni mobilni roboti

Veliki korak naprijed što se tiče visoke razine i sigurnosti manevriranja je svesmjerni robot

koji se koristi umjesto korištenja konvencionalne platforme robota s dva kotača koji ima

dodatni prednji kotač za funkciju skretanja. Svesmjerni roboti razlikuju se i po broju

kotača. Postoji izvedba svesmjernog robota koji koristi četiri kotača za gibanje, te izvedba

s tri kotača. Svesmjerni roboti imaju prednost što mogu promijeniti smjer gibanja bez

poduzimanja međukoraka rotacije kao npr. mobilni robot s diferencijalnim pogonom.

Ovakva vrsta robota može se gibati od jedne točke prema drugoj te se istovremeno

rotirati.

6

Slika 3: Izvedba svesmjernog robota s tri kotača.

Slika 4: Izvedba svesmjernog robota sa četiri kotača.

7

3. IZVEDBA SVESMJERNOG KOPNENOG MOBILNOG

ROBOTA

Postoji nekoliko tipova svesmjernih kopnenih mobilnih robota, a karakteristični dio koji ih

određuje je izvedba kotača. U osnovi postoje dva osnovna tipa kotača svesmjernih robota

koji određuju model robota. Prvi tip je tzv. omni ili švedski kotač koji se koriste kod robota

s tri (četiri) pogonska aktuatora te tzv. mecanum kotač koji se koristi kod robota sa četiri

pogonska aktuatora.

3.1. Matematički opis

Svesmjerni kopneni mobilni roboti egzistiraju u dvodimenzionalnom prostoru te imaju tri

stupnja slobode gibanja (engl. Degrees of Freedom - DOF). Za opisivanje kinematike

robota, potrebno je definirati dva Kartezijeva koordinatna sustava: inercijski koordinatni

sustav(ℱ𝐼) i koordinatni sustav mobilnog robota (ℱ𝑅).

Slika 5: Prikaz robota u kartezijevom koordinatnom sustavu [3].

Stupnjevi slobode predstavljeni su pozicijom (𝑋, ) i orijentacijom (𝜃) robota koje definiraju

stanje (𝛆)

8

𝛆 = [𝑋𝑌𝜃]. (1)

Ulazi modela jesu kutne (rotacijske) brzine pojedinog kotača 𝜔𝑖, a izlazi modela pozicija

i orijentacija mobilnog robota.

Slika 6: Geometrijski raspored kotača [3].

Slika 7: Dimenzije kotača.

Translacijske brzine pojedinih kotača ovise o kutnim (rotacijskim) brzinama kotača te o

njihovom promjeru (radijusu).

𝑣1 = 𝑟𝜔1,

𝑣2 = 𝑟𝜔2,

𝑣3 = 𝑟𝜔3

(2)

Sljedeće je potrebno definirati kutove kotača u odnosu na koordinatni sustav mobilnog

robota (ℱ𝑅).

𝛼1 = 30°

𝛼2 = 150°

𝛼3 = 270°

Sada se mogu definirati brzine za pojedini kotač u ovisnosti o geometrijskom rasporedu,

za prvi kotač brzine su jednake:

𝑣1𝑥 = cos(𝛼1)𝑣1,

𝑣1𝑦 = sin(𝛼1)𝑣1. (3)

9

Na temelju brzina svih kotača, dobivaju se translacijske i rotacijska brzina robota u ℱ𝑅.

𝑣𝑥 = 𝑣1𝑥 + 𝑣2𝑥 + 𝑣3𝑥,

𝑣𝑦 = 𝑣1𝑦 + 𝑣2𝑦 + 𝑣3𝑦

𝜔 =𝑣1𝑅

+𝑣2𝑅

+𝑣3𝑅

(4)

Može se zapisati matrično

[𝑣𝑥𝑣𝑦𝜔] = [

cos(𝛼1) cos(𝛼2) cos(𝛼3)

sin(𝛼1) sin(𝛼2) sin(𝛼3)1𝑅⁄

1𝑅⁄

1𝑅⁄

] [

𝑣1𝑣2𝑣3] (5)

3.1.1.Primjeri gibanja svesmjernih robota

Shematski prikaz gibanja svesmjernog robota s tri omni kotača prikazan je na slici 8.

Slika 8: Shematski prikaz gibanja svesmjernog robota s tri omni kotača [4].

Shematski prikaz gibanja svesmjernog robota sa četiri omni kotača prikazan je na slici 9.

10

Slika 9: Shematski prikaz gibanja svesmjernog robota sa četiri mecanum kotača [5].

3.2. Komponente robota

3.2.1.Kotači

Svesmjerni1 robot može imati, kao što je prikazano u prethodnom tekstu tri kotača, no

postoje i izvedbe s više kotača. Takve izvedbe robota osiguravaju puno bolju stabilnost i

nosivost.

Robot s diferencijalnim pogonom zahtijeva dodatne korake skretanja za promjenu smjera

dok svesmjernom robotu nisu potrebni ti međukoraci. Sve to zahvaljujući građi kotača. To

znači i puno bolji rad svesmjernog robota u okolini ili poslu koji zahtijevaju puno skretanja,

dok je robot s diferencijalnim pogonom puno sporiji u tome zbog dodatnih koraka kretanja.

Slika 10 prikazuje usporedbu svesmjernog robota i robota s diferencijalnim pogonom.

1 Omnidirectional

11

Slika 10: Usporedba robota s diferencijalnim pogonom i svesmjernog robota [4].

Omni (švedski) kotač

Omni kotač je sastavljen od više valjaka koji su smješteni po obodu konstrukcije kotača.

Valjci kotača su u neposrednom kontaktu s tlom. Postoji više tipova omni kotača, a u

ovome tekstu pisat će se o standardnoj izvedbi. Takva izvedba kotača ima valjke koji su

smješteni tako da mogu rotirati u ortogonalnom smjeru s obzirom na smjer rotacije kotača.

Postoje i izvedbe omni kotača koji imaju valjke smještene tako da valjci rotiraju u ne –

ortogonalnom smjeru. Pod ne - ortogonalnim smjerom mislimo na kut od 45° između

kotača i valjaka. [6]

12

Slika 11: Omni (švedski) kotač [3].

Omni kotači se ugrađuju na jednakoj udaljenosti od središta robota tako da je kut između

svih kotača jednak. Ako oko središta kotača zamislimo kružnicu, tangenta na kružnicu

nam pokazuje vektor brzine gibanja kotača, a ujedno i smjer.

Slika 12: Svesmjerni kotač druge izvedbe (okomiti).

Ovaj kotač ima jednaku učinkovitost kao i standardni omni kotač, kao i veoma sličnu

građu. Okomiti kotač ima puno više valjaka, tj. kotačića, po obodu kotača koji

omogućavaju ortogonalno gibanje u odnosu na smjer rotacije samoga kotača. Kontakt s

13

tlom je osiguran najviše s dva kotačića, ako govorimo o ravnoj površini. Ovakvi kotači se

često koriste na natjecanjima s robotima.

Mecanum kotač

Za mecanum kotače preporuča se korištenje najmanje četiri kotača kod pokretanja

robota. Kotači se ugrađuju u dvije vrste, svaka vrsta ima dva kotača. To znači npr. ako je

platforma robota pravokutna, na svaki pravokutni kut ide po jedan kotač, no to nije jedini

način pozicioniranja kotača. Kod kretanja robota prema naprijed kotači se okreću također

prema naprijed, prema nazad se kotači rotiraju unazad. Ako je potrebno da robot ide u

stranu to se ostvaruje tako da se svaki motor kotača rotira u suprotnom smjeru od

nasuprotnog kotača. [7]

Slika 13: Mecanum kotač [4].

Slika 14 prikazuje gibanje robota u smjeru žutih strelica, dok je smjer vrtnje kotača

označen crnim strelicama.

14

Slika 14: Gibanje svesmjernog robota u stranu pomoću ne - ortogonalnih univerzalnih kotača.

3.2.2.Aktuatori

Aktuatori su naprave koje se na pobudu nekog upravljačkog signala dovode u željani

položaj, ostvaruje se gibanje, razvija sila kojom djeluju na okolinu. U osnovi aktuator

pretvara neke električne ulaze u mehaničke izlaze. Izlazni signal je puno veći nego ulazni,

tj. njihova energija. Servomotor je elektromotor koji prema primljenom upravljačkom

signalu zauzima određeni zakretni položaj (zakretni ili rotacijski servomotor) ili mjesto na

nekoj putanji (pravocrtni ili linearni servomotor), odnosno razvija odgovarajući zakretni

moment ili silu. U ovom poglavlju pisat će se o servo motorima koji imaju mogućnost

kontinuiranog kretanja u oba smjera.

Kontinuirani servo motor ima kut rotacije od 360 stupnjeva. Kada se šalje kontrolni impuls

kontinuirano rotacijskom servo motoru, impuls kontrolira snagu, točnije okretni moment i

pravac vratila. Zato, kada se naredi servo motoru 0% pozicija sa impulsom od 1

milisekunde to stvarno rezultira u servo motoru primjenu minimalne snage u povratnom

pravcu. Slično kada se naredi servo motoru 100% pozicija to rezultira maksimalnom

snagom prema naprijed. Ako se servu naredi 50% pozicija to rezultira nultim okretnim

momentom. Za kontrolu je moguće koristiti bilo koji hardver i bilo koju biblioteku za servo

motore, driveri nisu potrebni. [8]

15

Slika 15: Kontrola servo motora pomoću PWM signala [5].

Svaki servomotor ima 3 žice, najčešće smeđu (impuls), crvenu (plus), žutu (minus). Za

pogon robota odabrani su servo motori kontinuirajućeg načina rada, oznake FS5103R.

Njegove specifikacije su prikazane u tablici 1.

Tablica 1: Specifikacije servo motora FS5103R [9]

Radni napon 4.8 V – 6.0 V

Dimenzija 40.8 x 20.1 x 38 mm

Masa 40 g

Brzina zakreta (4.8 V) 0.18sec/60°

Brzina zakreta (6.0 V) 0.16sec/60°

Zakretni moment (4.8 V) 3.0kg-cm

Zakretni moment (6.0V) 3.2 kg-cm

3.2.3.Upravljačka jedinica

Arduino je elektronička platforma namjenjana kreiranju elektroničkih projekata. Sastoji se

od hardware i software dijela. Hardverski dio je zapravo fizički elektronički programibilni

strujni krug koji se zove mikrokontroler. Softverski dio se naziva IDE2, koji se pokreće na

samome računalu i preko njega se programira i upravlja pločicom. Pločica je nastala u

Italiji 2005. godine. Arduino pločicu je osmislila jedna grupa studenata. Postala je brzo

2 Integrated Development Environment

16

popularna zbog svoje jednostavnosti. Za programiranje pločice nije potreban

programator, već je potreban samo USB kabel koji omogućava spajanje na svako

računalo bez obzira na operacijski sustav računala. Slika 16 prikazuje najpoznatiju i

najkorišteniju Arduino pločicu.

Slika 16: Arduino Uno upravljačka jedinica.

Arduino Uno pločica ima više I/O (INPUT / OUTPUT) digitalnih i analognih pinova koji

funkcioniraju na napajanju od 5V. Pločica se može napajati na tri načina: USB, Vin pin i

pomoću istosmjernog priključka (DC Power Jack). USB podržava napon oko 5V dok Vin

pin i DC priključak podržavaju napon u rasponu od 7 – 20V, preporučava se napajanje

od 5V. Ploča je opskrbljena s više priključaka za uzemljenje (GND). Reset input pin daje

mogućnost resetiranja pločice preko napisanog programa, dok postoji i mogućnost

fizičkog resetiranja preko gumba za reset. Ploča ima 14 digitalnih pinova, od kojih 3, 5, 6,

9, 10 i 11 daju 8 – bitni PWM (Pulse Width Modulation) signal. Postoji ugrađeno LED

svjetlo u ploči koja je spojena na pin 13. Kad je pin HIGH LED-ica je upaljena a kad je

LOW onda je ugašena. Na slici 17 je vidljivo da postoji 6 analognih pinova. Analogni

pinovi osiguravaju pretvorbu 10 – bitnog analognog u digitalni signal. Većina analognih

pinova može se koristiti i kao digitalni. [10]

17

Slika 17: Popis pinova Arduino Uno upravljačke jedinice [7].

ATmega 328 mikrokontroler je središnji dio Arduino Uno upravljačke jedinice. ATmega je

8 – bitni mikrokontroler koji ima 28 pinova. Ima flash memoriju veličine 32KB. Napaja se

naponom u rasponu od 3.3 V – 5.5 V, no koristimo 5V kao standardno. Ima 1KB

EEPROM3 memorije što ukazuje na mogućnost pohranjivanja podataka i prikazivanja

rezultata i nakon odstranjivanja napajanja. Ugrađena su i tri 8 – bitna timer-a i jedan 16 –

bitni.

Slika 18: ATmega 328 mikrokontroler.

3 Electrically Erasable Programmable Read Only Memory

18

3.2.4.Senzori udaljenosti

Senzori su uređaji koji pretvaraju neku fizikalnu veličinu (temperaturu, tlak, broj okretaja

motora, itd.) u signal koji je pogodan za daljnju obradu. Senzori se koriste u

svakodnevnom životu, a da ljudi toga nisu ni svjesni, npr. u automobilima, robotici, itd. U

ovome poglavlju pojasnit će se princip rada senzora udaljenosti: ultrazvučnog senzora

(HC-SR04) i infracrvenog senzora.

Ultrazvučni senzor, kao što mu i samo ime govori, koristi ultrazvuk za izračunavanje

udaljenosti od nekog objekta. Ultrazvuk je zvuk na frekvenciji većoj od gornje granice

ljudskog sluha. Ljudsko uho ima mogućnost prepoznavanja zvukova od 20Hz do 20KHz

(20 000 Hz). Stoga zvuk iznad 20 KHz zove se ultrazvuk.

Ultrazvučni senzor mjeri vrijeme odbijanja zvuka, tj. šalje impuls u objekt i mjeri vrijeme

odbijanja impulsa (ultrazvuka) i time izračunava udaljenost od objekta. Dakle ultrazvučni

senzor proizvodi kratki zvučni signal (impuls) i šalje ga ispred sebe, zvuk se odbija od

najbliže prepreke i vraća se natrag do senzora koji ga pokupi. [11]

Slika 19: Princip rada ultrazvučnog senzora.

Brzina zvuka je = 343𝑚/𝑠 . Pretvaranjem u željene mjerne jedinice dobije se

𝑣 = 0.0343𝑐𝑚/𝜇𝑠.

19

Vrijeme putovanja zvuka mora se podijeliti s 2 zbog toga jer zvuk putuje od senzora do

objekta i nazad, te prevaljuje duplu udaljenost. Formula po kojoj senzor mjeri udaljenost

u centimetrima glasi:

𝑈𝑑𝑎𝑙𝑗𝑒𝑛𝑜𝑠𝑡 = 𝑣𝑟𝑖𝑗𝑒𝑚𝑒 ∙ ½ ∙ 0.0343

Ultrazvučni senzor HC-SR04 ima četiri pina: Vcc – napajanje, Trig – odašiljač ultrazvuka,

Echo – prijamnik ultrazvuka, GND – uzemljenje. Napajanje i uzemljenje spajaju se na 5V

pin i na pin za uzemljenje na arduino pločici. Trig i Echo pinovi spajaju se na bilo koji

digitalni I/O (INPUT / OUTOUT) pin na Arduino pločici.

Infracrveni senzor također možemo koristiti za detekciju objekata, tj. zapreka. To je

elektronička uređaj koji može prepoznavati svoju okolinu emitiranjem i detektiranjem

infracrvenog zračenja. Može se koristiti u različite svrhe kao što su npr. komunikacija,

mjerenje kuta ili udaljenosti, detekcija objekata. Mala cijena i točnost mjerenje čine ih vrlo

pogodnima za mjerenje udaljenosti. Senzor se sastoji od infracrvene LED diode i

fotodiode. LED dioda emitira infracrveno zračenje koje nije vidljivo ljudskom oku, a

fotodioda detektira to zračenje.

Svaki put kad se ispred IR senzora pojavi prepreka tada se emitirana infracrvena svjetlost

odbija od toga objekta nazad u fotodiodu. Fotodioda se tada aktivira i zbog detektirane

svjetlosti šalje signal kroz output u arduino pločicu. Dok ispred IR senzora nema prepreke

infracrvena svjetlost ne dolazi do fotodiode. IR senzor ima pinove kao što su: Vcc

(napajanje), GND (uzemljenje), OUT (izlazni signal koji se šalje putem fotodiode). Vcc se

spaja na 5V pin na arduino pločici, GND na označeni GND pin, te OUT koji se spaja na

bilo koji digitalni pin na arduino pločici. Izlaz (OUT) IR senzora šalje digitalni oblik signala

na arduino pločicu koja ga obrađuje. Ovaj senzor ima na sebi potenciometar preko kojega

se okretanjem podešava udaljenost na kojoj senzor može detektirati zapreku, tj. objekt.

[12]

20

3.3. Programsko okruženje

IDE je open-source software i radi na svim operativnim sustavima kao što su Windows,

Linux i Mac. Programiranje u softweru je neka mješavina C++-a i C-a. Nakon spajanja

hardware-a poznati su pinovi koji se koriste, te je sve spremno za pisanje programa, tj.

koda. Preko software-a i napisanog koda upravlja se svim komponentama koje se koriste.

[13]

Slika 20: Primjer programiranja Arduina [11].

Na slici 20 je primjer programa blinkanja LED-ice. Na početku programa definira se

digitalni pin 13 na arduino pločici kao konstanta, što znači da je ta vrijednost

nepromjenjiva dalje u programu. LED-ica je spojena na pin 13. Void setup je funkcija kroz

koju softver prođe samo jedanput nakon svakog pokretanja ili resetiranja arduino pločice

kako bi se definirali ulazi i izlazi, pokrenule varijable itd. Void loop je funkcija koja program

vrti u krug do beskonačnosti. Kao što je prikazano na slici 20, u setup-u je preko PinMode

21

funkcije pin 13 na arduino pločici definiran kao izlaz, tj. output. Nakon definiranja varijabli

i ulaza i izlaza potrebno je napisati glavni dio programa koji se nalazi u funkciji void loop.

Preko funkcije digitalWrite zadaje se koji će se pin na arduino pločici uključiti (HIGH) ili

isključiti (LOW). Postoji i funkcija analogWrite koja služi za upravljanje analognim

pinovima pločice, no u ovome primjeru se koriste digitalni pa se zbog toga koristi

digitalWrite. Funkcija delay služi za vremensko ograničavanje duljine trajanja radnje. Broj

koji se nalazi u oblim zagradama funkcije delay izražen je u milisekundama. Nakon

pojašnjenja programa može se uočiti da će se LED-ica upaliti i biti upaljena jednu

sekundu, te će se nakon toga ugasiti i biti ugašena jednu sekundu. Ova radnja će se

stalno vrtjeti u krug što će rezultirati konstantnim blinkanjem LED-ice.

Pojašnjenjem ovog primjera može se predočiti za što služi arduino softver i kako se koristi.

Treba napomenuti da su ovo osnove programiranja u arduinu. Softver nudi razne

mogućnosti. Otvaranjem službene Arduino stranice na internetu mogu se vidjeti razne

funkcije i mogućnosti koje ovaj softver nudi.

22

4. UPRAVLJAČKI MODUL ZA IZBJEGAVANJE PREPREKA

4.1. Testiranje pogonskog sustava

Kako bi se robot gibao potrebno mu je definirati osnovna gibanja u programskom

okruženju, tj. Arduinu. Prije samoga programiranja potrebno je odrediti smjerove na

samome robotu, tj. definirati koji je smjer naprijed, koji nazad itd. Taj problem riješen je

označavanjem smjerova, a osnovni su označeni sljedećim redoslijedom:

lijevo – broj 1

naprijed – broj 2

desno – broj 3

Za početak je potrebno u programu pozvati servo library kako bi se uopće moglo upravljati

servo motorima i ostvariti određeno gibanje. Sljedeći korak je kreirati tri servo motora i

definirati njihove pinove na arduino pločici.

Slika 21: Definiranje servo motora te njihovog spajanja

Gibanje u smjeru natrag suprotno je od gibanja broj 1. Rotacija desno gibanje je u smjeru

kazaljke na satu u kojem sudjeluju svi motori, dok je rotacija lijevo suprotno gibanje. U

programu je svako gibanje kreirano kao funkcija koja se poziva u glavnome programu.

Na taj način u glavnome programu izbjegavaju se bespotrebne linije koda.

23

Slika 22: Definiranje funkcija za glavne smjerove gibanja.

U programu su definirana tri glavna gibanja i dva pomoćna gibanja. Tri glavna gibanja

prikazana su na slici 22. To su gibanja u kojima sudjeluju po dva servo motora dok treći

miruje. Kod pomoćnih gibanja imamo rotaciju lijevo i rotaciju desno gdje sudjeluju po tri

servo motora. Pomoćna gibanja prikazana su na slici 23.

Slika 23: Definiranje funkcija za pomoćne smjerove gibanja.

4.2. Testiranje senzorskog sustava

Robot koristi tri HC-SR04 ultrazvučna senzora za mjerenje udaljenosti. Senzori su

razmaknuti 120° što čini 360° ukupno. U programu je potrebno definirati pinove na koje

je svaki senzor priključen. Nakon toga potrebno je odrediti pinove koji se ponašaju kao

OUTPUT i pinove koji se koriste kao INPUT.

24

Slika 24: Definiranje Echo i Trig pinova, mjesta spajanja, pinModa.

Prva verzija programa za očitavanje udaljenosti napravljena je tako da je kreirana funkcija

za izračunavanje udaljenosti u samome programu. Ta funkcija daje vrijednost udaljenosti

u centimetrima. Funkcija radi na principu da TrigPin šalje ultrazvučni signal prema objektu

i mjeri vrijeme potrebno da se signal vrati prema EchoPin-u. Funkcija se poziva u

glavnome programu, tj. loop(), gdje se uvrštava svaki od tri senzora u funkciju. Na kraju

se dobije ispis očitanja udaljenosti svakog senzora u Serial Monitor-u.

25

Slika 25: Prva verzija programa za očitanje udaljenosti.

Druga verzija programa za očitanje udaljenosti koristi NewPing library. Taj library pomaže

kod izbjegavanja nepotrebnih linija koda. Naime, pohranjuje senzore u array. U array-u

za svaki senzor pohranjujemo tri stvari. Primjer: NewPing(7,8,400), gdje je TrigPin broj 7,

EchoPin broj 8 i 400 označava maksimalnu udaljenost u centimetrima. Kako bi se došlo

do očitane vrijednosti određenog senzora, senzor pozivamo iz array-a pomoću njegovog

indeksa u array-u, npr. prvi senzor ima indeks 0, itd. Program možemo vidjeti na slici 26.

Očitane vrijednosti mogu se vidjeti pomoću Serial Monitor-a. Obje verzije programa za

očitanje udaljenosti daju jednak rezultat u Serial Monitor-u.

26

Slika 26: Druga verzija programa za očitanje udaljenosti.

Slika 27: Očitavanje udaljenosti.

27

4.3. Modul za izbjegavanje prepreka

Ovaj modul sastoji se od pogonskog i senzorskog sustava koji međusobno komuniciraju

po napisanom programu za izbjegavanje prepreka i tako odrađuju zadatak izbjegavanja

prepreka. Napisane su dvije verzije programa za izbjegavanje prepreka. Prva verzija

izbjegava prepreke na način da odmah promijeni smjer, ta verzija programa nalazi se na

slici 28 i 29.

Slika 28: Program za izbjegavanje prepreka - prva verzija (prvi dio).

28

Slika 29: Program za izbjegavanje prepreka - prva verzija (drugi dio).

Druga verzija programa za izbjegavanje prepreka koristi jedan senzor kao glavni senzor,

a ostale senzore kao pomoćne. Kada glavni senzor dođe do prepreke robot se rotira tako

da ga pomoćni senzori navigiraju. Svi senzori izbjegavaju prepreke ali glavni senzor

ujedno služi i za gibanje robota prema naprijed.

29

Slika 30: Program za izbjegavanje prepreka - druga verzija (prvi dio).

30

Slika 31: Program za izbjegavanje prepreka - druga verzija (drugi dio).

31

Slika 32: Primjeri izbjegavanja prepreka svesmjernog robota

32

5. ZAKLJUČAK

Zadatak završnog rada bio je implementacija upravljačkog modula za izbjegavanje

prepreka svesmjernim mobilnim robotom. Tijekom programiranja senzorskog sustava

dolazi do problema kad senzor kao očitanu vrijednost daje vrijednost 0 što upućuje na

preveliku udaljenost prepreke ispred senzora, a premaleni mjerni opseg senzora. Taj

problem rješen je definiranjem tog uvjeta u određenoj if petlji.

Problem kod izbjegavanja prepreka dolazi kad senzor naiđe na neravnu površinu što

znači da dolazi do nepravilnih odbijanja ultrazvuka od objekta, no ovaj problem

djelomično se može rješiti implementacijom boljeg senzora.

Kod testiranja senzorskog i pogonskog sustava ima malih nedostataka koji bi se riješili

nadogradnjom sustava. Nedostaci su nedovoljan broj senzora. Naime tri senzora ne

pokrivaju svih 360° potrebna za kretanje robota, pa dolazi do sudaranja u prepreku kad

prepreka nije u vidljivom području senzora. Taj nedostatak može se riješiti ugradnjom još

tri senzora ili ugradnjom senzora s većim kutom otvora. Što se tiče vizualnog dojma kao

poboljašanje treba spomenuti mogućnost ugradnje kučišta za bolji pregled žica i cijelog

modula.

33

Literatura

[1] https://hr.wikipedia.org/wiki/Robotika

Datum pristupa: 12.06.2020.

[2] https://www.bug.hr/startup/autonomni-skladisni-roboti-gideon-brothersa-u-pilot-

projektu-s-orbicom-11318

Datum pristupa: 12.06.2020.

[3] Osnove robotike: podloge za predavanje, VUKA

[4] https://www.robotshop.com/media/files/pdf/omni-wheel-introduction-10013.pdf

Datum pristupa: 18.06.2020.

[5] https://www.elecfreaks.com/mecanum-wheel-64mm-x-4.html

Datum pristupa: 25.06.2020.

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Omni_wheel

Datum pristupa: 26.06.2020.

[7] https://en.wikipedia.org/wiki/Mecanum_wheel

Datum pristupa: 26.06.2020.

[8] http://www.gimnazija-velika-gorica.skole.hr/upload/gimnazija-velika-

gorica/images/static3/1003/File/03%20Programiranje%20manevara.pdf

Datum pristupa: 29.06.2020.

34

[9] https://servodatabase.com/servo/feetech/fs5103r

Datum pristupa: 03.07.2020.

[10] http://plotdiagram.francescachillemi.it/diagram/wiring-diagram-arduino

Datum pristupa: 05.07.2020.

[11] https://e-radionica.com/hr/blog/2015/08/19/kkm-ultrazvucni-modul-hc-sr04/

Datum pristupa: 05.07.2020.

[12] https://www.instructables.com/id/Using-Infrared-Sensor-With-Arduino/

Datum pristupa: 08.07.2020.

[13] https://www.arduino.cc/

Datum pristupa: 08.07.2020.

35

Prilozi

1. CD-R